doctoralThesis
Efeito da dopagem de Mn no espinélio MgAl2O4, do tratamento térmico e da adição de Aloe vera na síntese de Nanotubos de Carbono
Effect of Mn doping on MgAl2O4 spinel, heat treatment and addition of Aloe vera on the synthesis of Carbon Nanotubes
Registro en:
FERREIRA, Pedro Paulo Linhares. Efeito da dopagem de Mn no espinélio MgAl2O4, do tratamento térmico e da adição de Aloe vera na síntese de Nanotubos de Carbono. Orientador: Dulce Maria de Araújo Melo. 2022. 112f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
Autor
Ferreira, Pedro Paulo Linhares
Resumen
Discovered in the mid-1990s, carbon nanotubes (CNT) have special properties that
expand their range of applications. CNT's can be produced from the methane
decomposition reaction in the presence of catalysts. However, the quality and quantity of
CNTs produced strongly depends on the structure and properties of the catalysts. Thus,
the objective of this thesis was to evaluate the relationship of the synthesis parameters of
Ni catalysts supported on Mn-doped MgAl2O4, obtained using the green extract of Aloe
vera for the production of carbon nanotubes. For that, the catalyst supports were
synthesized via microwave-assisted combustion, achieving two routes. The first was
using only water; and the second using Aloe vera as a chelating agent. Both routes had
the objective of doping the A and B sites with Mn ions in the MgAl2O4 for the evaluation
of their characteristics. Part of the synthesized support was subjected to calcination at 900
°C for 3 hours and part remained without heat treatment. Then, the materials were
impregnated with 50% nickel and subjected to heat treatment (550 °C/3h). The formed
catalyst was taken to the catalytic unit for activation and then for the synthesis of carbon
nanotubes. The supports were characterized by X-ray diffraction (XRD). The catalysts
were also subjected to XRD and thermal analysis (TG). The nanotubes were characterized
by Raman, SEM-FEG and TG. The XRD results indicated that the ions of the supports
were replaced in different proportions, as well as the same analysis showed the successful
impregnation of nickel. The NTC along with the catalysts were analyzed by Raman
spectroscopy, thermal analysis (TG) and scanning electron microscopy (SEM). The
Raman results pointed to the formation of carbon nanotubes in all catalysts, with an IG/ID
ratio > 1, indicating crystallinity of the formed material. The relationship between the
results of thermal analysis (TG) and Raman spectroscopy indicates that the nickel catalyst
impregnated in MgAl2O4 with Mn2+ substituted in the A site, synthesized using Aloe vera
and calcined at 900 °C (Ni/Mn-SAAV900) produced Less defective CNT's (IG/ID =
1.42), but with lower CNT production (4%p). In contrast, the nickel catalyst impregnated
in MgAl2O4 with Mn2+ substituted at the B site, synthesized using Aloe vera and calcined
at 900 °C (Ni/Mn-SBAV900) showed an IG/ID ratio = 0.77, revealing more defective
CNTs, but with a little more than twice as many NTC's formed. The micrographs
corroborated the other analyses, indicating the formation of carbon nanotubes. The
methodology adopted using green synthesis proved to be a way to produce carbon nanotubes. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Descobertos em meados de 1990, os nanotubos de carbono (NTC) possuem propriedades
especiais que ampliam a sua gama de aplicações. Os NTC’s podem ser produzidos a partir
da reação de decomposição do metano na presença de catalisadores. Entretanto, a
qualidade e quantidade dos NTC’s produzidos depende fortemente da estrutura e
propriedades dos catalisadores. Assim, o objetivo desta tese foi avaliar a relação dos
parâmetros de síntese dos catalisadores de Ni suportados no MgAl2O4 dopado com Mn,
obtidos usando o extrato verde de Aloe vera para produção de nanotubos de carbono. Para
tanto, os suportes dos catalisadores foram sintetizados via combustão assistida por microondas, logrando duas rotas. A primeira foi utilizando apenas água; e a segunda usando
Aloe vera como agente quelante. Ambas as rotas tiveram o objetivo de dopar os sítios A
e B com íons de Mn no MgAl2O4 para a avaliação das suas características. Do suporte
sintetizado, parte foi submetido a calcinação a 900 °C por 3h e parte permaneceu sem o
tratamento térmico. Então, os materiais foram impregnados com 50% de níquel e
submetidos a tratamento térmico (550 °C/3h). O catalisador formado foi levado a unidade
catalítica para ativação e, em seguida para a síntese dos nanotubos de carbono. Os
suportes foram caracterizados por difração de raios X (DRX). Os catalisadores também
foram submetidos a DRX e análise térmica (TG). Os nanotubos foram caracterizados por
Raman, MEV-FEG e TG. Os resultados de DRX indicaram que os íons dos suportes
foram substituídos em diferentes proporções, bem como a mesma análise mostrou a
impregnação bem-sucedida do níquel. Os NTC junto com os catalisadores foram
analisados por espectroscopia de raman, análise térmica (TG) e microscopia eletrônica de
varredura (MEV). Os resultados de Raman apontaram a formação dos nanotubos de
carbono em todos os catalisadores, com relação IG/ID > 1, indicando uma cristalinidade
do material formado. A relação entre os resultados das análises térmica (TG) e de
espectroscopia Raman indica que o catalisador de níquel impregnado no MgAl2O4 com o
Mn2+ substituído no sítio A, sintetizado utilizando Aloe vera e calcinado a 900 °C (Ni/MnSAAV900) produziu NTC’s menos defeituosos (IG/ID = 1,42), porém com menor
produção de NTC (4%p). Em contrapartida, o catalisador de níquel impregnado no
MgAl2O4 com o Mn2+ substituído no sítio B, sintetizado utilizando Aloe vera e calcinado
a 900 °C (Ni/Mn-SBAV900) mostrou uma relação IG/ID = 0,77, revelando NTC’s mais
defeituosos, mas com um pouco mais que o dobro de NTC’s formados. As micrografias
corroboraram com as demais análises, assinalando a formação dos nanotubos de carbono.
A metodologia adotada usando síntese verde mostrou-se como uma via para a produção
de nanotubos de carbono.